(57)【要約】【課題】電子スピンの状態によるトンネル電流の制御を利用した新たな能動素子を提供する。【解決手段】層間絶縁層１０１の上に形成された強磁性体金属から構成された下部スピン状態可変層１０２と、下部スピン状態可変層１０２の上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に形成された強磁性体金属から構成されたスピン状態固定層１０４と、スピン状態固定層１０４の上に形成されたトンネル絶縁層１０５と、トンネル絶縁層１０５の上に形成された強磁性体金属からなる上部スピン状態可変層１０６とを備える。下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６とは、例えば磁場を印加することで、電子スピンの向きが可変する層であり、スピン状態固定層１０４は、電子スピンの向きが固定された層である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電子スピン状態とこれとは異なる方向の第２電子スピン状態とを備える第１スピン状態可変層と、
この第１スピン状態可変層の上に形成された前記第１スピン状態のスピン状態固定層と、
このスピン状態固定層の上に形成され、前記第１電子スピン状態と前記第２電子スピン状態とを備える第２スピン状態可変層と、
前記第１スピン状態可変層と前記スピン状態固定層との間及び前記スピン状態固定層と前記第２スピン状態可変層との間の各々に形成され、トンネル電流が流れるトンネル絶縁層と
を少なくとも備え、
前記第１スピン状態可変層，前記スピン状態固定層，前記第２スピン状態可変層は、導電性材料から構成されている
ことを特徴とする能動素子。
【請求項２】
請求項１記載の能動素子において、
前記第１スピン状態可変層，前記第２スピン状態可変層，及び前記スピン状態固定層は、強磁性を有する金属元素から構成されたものである
ことを特徴とする能動素子。
【請求項３】
請求項２記載の能動素子において、
前記第１スピン状態可変層，前記第２スピン状態可変層，及び前記スピン状態固定層は、前記金属元素が不純物として添加された半導体から構成されたものである
ことを特徴とする能動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子のスピン状態を制御してトンネル電流を流すことでアンド回路を実現する能動素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、記憶保持動作が必要なダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）に代わり、不揮発かつ低エネルギーで動作する新たな構成のメモリ素子の開発が盛んに行われている。この中で、薄い絶縁層を挾む両側の層における電子スピンの状態（方向）により、絶縁層を流れるトンネル電流の状態を制御することを利用した新たなメモリ素子が提案されている（非特許文献１参照）。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】T.Miyazaki, N.Tezuka, "Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", Reprinted fom J.Magn. Magn. Mater. 139(1995) L231-L234, pp.76-79.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した電子スピンの状態とトンネル電流との関係は、メモリ素子に限らず、他の形態の素子への適用可能性を有している。
従って、本発明は、電子スピンの状態によるトンネル電流の制御を利用した新たな能動素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る能動素子は、第１電子スピン状態とこれとは異なる方向の第２電子スピン状態とを備える第１スピン状態可変層と、この第１スピン状態可変層の上に形成された第１スピン状態のスピン状態固定層と、このスピン状態固定層の上に形成され、第１電子スピン状態と第２電子スピン状態とを備える第２スピン状態可変層と、第１スピン状態可変層とスピン状態固定層との間及びスピン状態固定層と第２スピン状態可変層との間の各々に形成され、トンネル電流が流れるトンネル絶縁層とを少なくとも備え、第１スピン状態可変層，スピン状態固定層，第２スピン状態可変層は、導電性材料から構成されているようにしたものである。
本能動素子では、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との両方を第１電子スピン状態とすると、各トンネル絶縁層における電子のトンネル確率が高くなり、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との間により多くの電流が流れるようになる。
【０００５】
上記能動素子において、第１スピン状態可変層，第２スピン状態可変層，及びスピン状態固定層は、強磁性を有する金属元素から構成されていればよい。また、第１スピン状態可変層，第２スピン状態可変層，及びスピン状態固定層は、金属元素が不純物として添加された半導体から構成されたものであればよい。
【発明の効果】
【０００６】
以上説明したように、本発明によれば、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との両方を第１電子スピン状態とすることで、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との間の電流が制御できるので、電子スピンの状態によるトンネル電流の制御を利用した新たな能動素子の提供できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この能動素子は、例えば、シリコンの酸化物からなる層間絶縁層１０１の上に形成された下部スピン状態可変層１０２と、下部スピン状態可変層１０２の上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に形成されたスピン状態固定層１０４を備える。層間絶縁膜１０１は、図示していない半導体基板の上に形成され、半導体基板の上には、トランジスタやメモリ素子などの他の素子も形成されている。
【０００８】
また、図１に示す能動素子は、スピン状態固定層１０４の上に形成されたトンネル絶縁層１０５と、トンネル絶縁層１０５の上に形成された上部スピン状態可変層１０６とを備える。また、上部スピン状態可変層１０６の上には、層間絶縁層１０７を備える。
下部スピン状態可変層１０２には、層間絶縁層１０１の一部まで貫通するプラグ１０８が接続され、図示していない配線層に接続している。また、上部スピン状態可変層１０６は、層間絶縁層１０７を貫通するプラグ１０９により、層間絶縁層１０７の上に形成された配線１１０に接続している。
【０００９】
下部スピン状態可変層１０２及び上部スピン状態可変層１０６は、２つの異なる電子スピン状態を備え、電子スピンの向きを変化させることができる導電性を有する層であり、例えば、強磁性体金属から構成することができる。また、スピン状態固定層１０４は、電子スピンの状態が固定された導電性を有する層であり、例えば、強磁性体金属から構成することができる。
上述した強磁性体金属としては、例えば、鉄、マンガン、コバルト、ニッケル、ストロンチウム、サマリウム、ネオジウム、クロムなどがある。
【００１０】
強磁性体金属から構成された層は、電子スピンの状態（方向）が制御可能であり、強磁性体金属から構成された下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６とは、例えば磁場を印加することで、電子スピンの向きが可変（変化）する層である。電子スピンの向きは、スピン注入により可変することも可能である。スピン注入は、強磁性体から半導体，超伝導体などの非磁性体に電子を流入させた際、スピン偏極した電子が偏極度を保ったまま流入する現象である。
【００１１】
一方、スピン状態固定層１０４は、下部スピン状態可変層１０２，上部スピン状態可変層１０６における電子スピンの状態によらず、電子スピンの向きが常に一定とされた層である。例えば、強磁性体金属から構成されたスピン状態固定層１０４は、下部スピン状態可変層１０２，上部スピン状態可変層１０６における電子スピン状態の変化による影響を受けず、かつ、トンネル電流が流れる範囲の厚さに形成されていればよい。
【００１２】
また、トンネル絶縁層１０３，１０５は、酸化アルミニウムや酸化シリコンなどから構成され、電子がトンネル効果によって透過できる程度に薄く形成されている。トンネル絶縁層１０３，１０５は、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化プラセオジウムなどから構成してもよい。
【００１３】
図１に示す能動素子において、例えば、下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との電子スピンの向きが同じ（平行な）場合と異なる（反平行な）場合とで、これらに挾まれたトンネル絶縁層１０３をトンネル効果により電子が透過する状態（トンネル確率）が異なる。下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間の電気抵抗を測定すると、２つの層の電子スピンの向きが同じ場合と異なる場合とで、抵抗値が数％から数十％異なって観測される。
【００１４】
下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きとスピン状態固定層１０４の電子スピンの向きとが平行な状態では、トンネル絶縁層１０３を電子のトンネル確率が増加し、２つの層の電子スピンが反平行な場合に比較し、より多くの電流が流れるようになる。
これらの関係は、スピン状態固定層１０４とトンネル絶縁層１０５と上部スピン状態可変層１０６との間でも同様である。
【００１５】
例えば、層間絶縁層１０１の側で、図１の紙面に垂直な方向に延在する配線を下部スピン状態可変層１０２に近づけて配置し、上記配線に流す電流の方向を変えることで、下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことで上記配線の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、下部スピン状態可変層１０２に影響するように、上記配線を下部スピン状態可変層１０２に近づけて配置すればよい。例えば、上記配線は、図１の紙面に垂直な方向に層間絶縁層１０１を貫通していればよい。
【００１６】
同様に、層間絶縁層１０７の側で、図１の紙面に垂直な方向に延在する配線を上部スピン状態可変層１０６に近づけて配置し、上記配線に流す電流の方向を変えることで、上部スピン状態可変層１０６の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことで上記配線の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、上部スピン状態可変層１０６に影響するように、上記配線を上部スピン状態可変層１０６に近づけて配置すればよい。例えば、上記配線は、図１の紙面に垂直な方向に層間絶縁層１０７を貫通していればよい。なお、電子スピンの向きを可変させるための配線は、上述した配置に限るものではない。上記配線は、スピン可変層だけで磁場が大きくなるように配置されていればよい。
【００１７】
ここで、下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きとスピン状態固定層１０４の電子スピンの向きとが反対（反平行）の場合に、トンネル絶縁層１０３を挾んで下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間に流れるトンネル電流の電流値をＩ０とする。
【００１８】
この基準に対し、まず、下部スピン状態可変層１０２，スピン状態固定層１０４における電子スピンの向きの変化により、下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間に流れるトンネル電流の電流値をＩ１とする。また、スピン状態固定層１０４、上部スピン状態可変層１０６における電子スピンの向きの変化により、スピン状態固定層１０４と上部スピン状態可変層１０６との間に流れるトンネル電流の電流値をＩ２とする。また、下部スピン状態可変層１０２，スピン状態固定層１０４、上部スピン状態可変層１０６における電子スピンの向きの変化により、下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６との間に流れるトンネル電流の電流値をＩ３とする。電流値Ｉ３は、プラグ１０８とプラグ１０９（配線１１０）との間に流れる電流である。
【００１９】
電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３があらかじめ定めた規定値以下であるとき、論理値を０とし、電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が上記規定値を超えたとき、論理値を１とする。この構成の等価回路は、図２に示されるようになる。図２に示すように、下部スピン状態可変層１０２及びスピン状態固定層１０４の間と、スピン状態固定層１０４及び上部スピン状態可変層１０６の間との両方に電流が流れる状態のときに、下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６との間に電流が流れるようになる。
【００２０】
各層の間に電流が流れる状態（論理値）は、図３に示すように、各層における電子スピンの方向（状態）に対応している。図３に示すことからも明らかなように、図１に示す能動素子によれば、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態と上部スピン状態可変層１０６の電子スピン状態との制御を２つの入力とし、下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６の間に流れるトンネル電流の状態を出力としたアンド回路が構成できる。
【００２１】
言い換えると、図１に示す能動素子によれば、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御する手段と、上部スピン状態可変層１０６の電子スピン状態を制御する手段とを用いれば、上部スピン状態可変層１０６と下部スピン状態可変層１０２との間を流れる電流を制御するアンド回路が実現できる。上述したスピン状態を制御する手段としては、前述したように、各スピン状態可変層に近設した配線などにより実現できる。
【００２２】
ところで、従来よりあるアンド回路では、４個のトランジスタで構成されるＮＡＮＤ回路に２個のトランジスタで構成されるインバータを組み合わせることでアンド回路を構成している。これに対し、図１に示す能動素子を用いれば、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御する手段と、上部スピン状態可変層１０６の電子スピン状態を制御する手段とを組み合わせることで、アンド回路が実現できる。また、このように構成したアンド回路によれば、入力が連続していなくても、連続して出力させることが可能となり、ラッチ回路などが省略できる。
【００２３】
また、図１に示す能動素子は、各層の膜厚を制御することで特性が決定できるので、例えば、ゲート長などの制御が必要なプレーナ形のＭＯＳトランジスタなどと比較し、素子の製造が容易である。また、多くのトランジスタから構成することなく、アンド回路が実現できるため、従来より高集積化が容易である。
また、磁性体メモリ素子と同じ材料を用いて素子が形成できるので、メモリ素子と上記能動素子とを同一基板上にモノリシックに搭載することが容易である。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態における能動素子の他の構成例について、図４を用いて説明する。図４に示す能動素子は、スピン状態固定層１０４に磁場発生層４０１，４０２を設け、スピン状態固定層１０４の電子スピンの状態を固定するようにしたものである。なお、他の構成は図１の能動素子と同様である。
磁場発生層４０１，４０２は、例えば、強磁性体から構成された層であればよい。また、スピン状態固定層１０４の中に、図４の紙面に垂直な方向に周囲とは絶縁分離して延在する配線から、磁場発生層４０１，４０２を構成してもよい。この場合、磁場発生層４０１，４０２は、電流を流すことにより磁場を発生する。
【００２５】
なお、上述では、スピン状態可変層及びスピン状態固定層を強磁性体金属から構成するようにしたが、これに限るものではない。スピン状態可変層及びスピン状態固定層は、強磁性を示す元素の合金から構成されていてもよい。また、スピン状態可変層及びスピン状態固定層は、ＧａＭｎＡｓやＩｎＭｎＡｓなど強磁性を示す化合物から構成されていてもよい。強磁性を示す化合物としては、ＺｎＭｎＯ，ＺｎＯ，ＺｎＣｒＴｅ，ＺｎＧｅＭｎＰ，ＣｄＧｅＭｎＰ，ＺｎＶＯ，ＺｎＣｏＯ，ＧａＣｒＮ，及びＣやＮやＳｉなどを含んだＣａＯなどがある。
【００２６】
また、スピン状態可変層及びスピン状態固定層は、強磁性を示す元素を不純物として含む半導体材料から構成されていてもよい。例えば、半導体材料としては、シリコン，ゲルマニウム，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＺｎＯ，ＧａＮなどがある。
また、トンネル絶縁層は、酸化アルミニウムや酸化シリコンなどの酸化物絶縁体であってもよく、また、ＩＩＩ族やＩＶ族の窒化物であってもよい。酸化物絶縁体としては、酸化ハフニウムや酸化プラセオジムなどがある。また、ＩＩＩ族の窒化物としては、窒化シリコンがあり、ＩＶ族の窒化物としては窒化アフニウムなどがある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図２】下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間，スピン状態固定層１０４と上部スピン状態可変層１０６との間，下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６との間に流れるトンネル電流の電流値を、各々Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３としたときの、等価的な回路を示す構成図である。
【図３】下部スピン状態可変層１０２，スピン状態固定層１０４，上部スピン状態可変層１０６の各層における電子スピンの向きと、電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の状態を論理値で示した結果との関係を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における能動素子の他の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１…層間絶縁層、１０２…下部スピン状態可変層、１０３…トンネル絶縁層、１０４…スピン状態固定層、１０５…トンネル絶縁層、１０６…上部スピン状態可変層、１０７…層間絶縁層、１０８，１０９…プラグ、１１０…配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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